黄科文,山诗瑶,陆春艳,欧若含,岁立云,王 铤,刘 磊,廖明安,林立金,任 纬

(1.四川农业大学园艺学院,四川 成都 611130;2.崇州职业教育培训中心,四川 成都 611230;3.成都市农林科学院,四川 成都 611130;4.四川农业大学果蔬研究所,四川 成都 611130;5.四川省内江市农业科学院玉米研究所,四川 内江 641000)

由于矿山开采、工业活动、污水灌溉和化肥农药不规范使用,土壤环境广受重金属污染物入侵和破坏[1]。重金属污染土壤修复可通过超富集植物对重金属的积累、挥发和固定作用有效降低土壤重金属含量,具有扰动小、价格低和易操作等优点,是近年来重金属污染土壤修复研究的热点[2-3]。然而,已筛选出的众多超富集植物生物量较小,生长缓慢,导致其修复效率低，周期长,在一定程度上限制了植物修复技术的推广与应用[4]。因此,提高超富集植物修复效率是植物修复技术的重要研究方向。植物激素对调节植物生理活动具有重要作用,近年来已有研究将其应用于促进超富集植物提取重金属[5]。JI等[6]发现在超富集植物龙葵幼苗叶片上喷施赤霉素(GA3)可以提高龙葵生物量并增加其地上部分镉含量。其他研究[7-8]表明,外源脱落酸(ABA)对超富集植物(东南景天和少花龙葵)的镉富集和生长均有显著促进作用,可有效提高超富集植物镉积累量。另外,外源生长素(IAA)和细胞分裂素(CTK)也可通过提高超富集植物对重金属的吸收能力以及生物量来改善超富集植物对重金属污染土壤的净化能力[9-10]。这些研究证实植物激素在植物修复技术中具有广泛应用前景。因此,筛选更多与植物激素生物活性相似的生长调节剂来改善超富集植物对重金属污染土壤的修复效率具有重要意义。

烯效唑(S3307)可以延缓植物生长,促进分蘖,增加植物干物质积累,具有高效、低毒和低残留等特点,是目前生物活性最强的三唑类植物生长调节剂[11]。在农业生产中,S3307被广泛用于提高作物对寒冷、干旱和空气污染等外界胁迫的抗逆性[12-13]。另外,S3307不仅对植物淀粉积累量、光合色素含量和生物量有显著促进作用,还对植物内源激素水平有一定调控作用[14-15]。HE等[16]发现在镉污染条件下,适当浓度的外源S3307能有效提高镉富集植物牛繁缕的生物量、光合色素含量和氧化酶活性,还能显著提高牛繁缕地上部分镉含量和镉积累量。这说明S3307可有效促进富集植物对土壤重金属的吸收及转运,具有提高超富集植物对重金属污染土壤修复能力的潜力。

鬼针草(Bidenspilosa)是一种镉超富集植物,具有生命力强、生长势旺、分布广泛等特点,是修复镉污染土壤较为理想的材料[17]。然而,与龙葵和豨莶等镉超富集植物相比,鬼针草对土壤镉的富集能力相对较低[18-19],因此需要进一步提高其镉富集能力。不同生态型超富集植物在生理形态和土壤重金属修复能力方面可能存在显著差异[20]。与矿山生态型鬼针草相比,农田生态型鬼针草生物量更大，植株更高,但体内镉含量却更低[21]。因此,为提高农田生态型和矿山生态型鬼针草对镉污染土壤的修复能力,研究喷施不同浓度S3307对2种生态型鬼针草生长和镉积累的影响,以期筛选出可以显著提高鬼针草镉富集能力的S3307浓度,为提高超富集植物修复效率提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

2014年8月,在四川农业大学雅安校区农场(30°23′ N,103°48′ E)和唐家山铅锌矿区(29°24′ N,102°38′ E)分别收集农田生态型和矿山生态型鬼针草种子,保存备用。四川农业大学雅安校区农场位于四川省雅安市雨城区,平均海拔为620 m,属亚热带湿润季风气候区,多年平均气温为16.2 ℃,多年平均降雨量为1 743.3 mm,多年平均日照为1 035 h,多年平均蒸发量为1 011.2 mm[22]。唐家山铅锌矿区位于四川省雅安市汉源县唐家乡,平均海拔为890 m,地处北温带与季风带之间的山地亚热带气候区,具有典型干热河谷气候特点,多年平均气温为17.9 ℃,多年平均降雨量为741.8 mm,多年平均日照为1 475.8 h,多年平均蒸发量为1 248.2 mm[22]。

1.2 试验方法

2015年3月,将取自四川农业大学雅安校区农场未受镉污染的土壤风干、压碎,过5 mm孔径筛后,分别称取3.0 kg装于15 cm×18 cm(高×直径)的塑料盆内。在盆中加入分析纯CdCl2·2.5 H2O溶液,使土壤w(镉)为10 mg·kg-1[21],浇水使土壤田间持水量约为60%,自然放置平衡4周后,将风干土壤经多次混合后分装,确保各处理间土壤理化性质保持一致。同时,将2种生态型鬼针草种子撒播于四川农业大学雅安校区农场农田中。1个月后,选取长势一致、1对真叶展开的鬼针草幼苗移栽至准备好的含镉土壤盆中,每盆栽植4株。每天浇水以保持盆中土壤田间持水量约为80%,种植20 d后(4对真叶展开),分别对2种生态型鬼针草全株喷施S3307溶液。S3307溶液共设0、25、50、75、100和125 mg·L-16个浓度,每盆喷施S3307溶液25 mL,每个处理重复4次。喷施S3307溶液1个月(鬼针草处于盛花期)后,选取2种生态型鬼针草功能叶分别测定其叶片光合色素含量[23],测量株高并整株收获,将植物根系和地上部分分别封装,采用自来水洗净,再用去离子水冲洗3次后,于110 ℃条件下杀青15 min,75 ℃烘干至恒重,称重,采用XA-1固体样品粉碎机粉碎,过0.149 mm孔径筛。称取0.500 g植物样品,加入硝酸-高氯酸〔V(硝酸)∶V(高氯酸)=4∶1〕放置12 h后消化至溶液透明,过滤,定容至50 mL,采用iCAP 6300型ICP光谱仪测定镉含量[24]。

1.3 数据处理

数据处理采用Excel 2003软件,统计分析采用SPSS 20.0软件,差异显著性比较采用Duncan新复极差法。地上部分富集系数为地上部分镉含量与土壤镉含量的比值[25],转运系数为植物地上部分镉含量与根系镉含量的比值[26],转运量系数为地上部镉含量和地上部分生物量的乘积与根系镉含量和根系生物量乘积的比值[27]。

2 结果与分析

2.1 喷施S3307对2种生态型鬼针草生物量和株高的影响

由表1可知,喷施S3307使2种生态型鬼针草各部分生物量均显著小于对照(P<0.05),且随着S3307浓度增加,2种生态型鬼针草根系、地上部分和整株生物量以及株高均呈下降趋势。这表明喷施S3307对2种生态型鬼针草的生长存在一定抑制作用。就鬼针草根冠比而言,喷施S3307能显著提高农田生态型鬼针草根冠比(P<0.05),其中75 mg·L-1的S3307使根冠比达到最大,而矿山生态型鬼针草根冠比在ρ(S3307)为50 mg·L-1条件下达到最大。

表1 喷施S3307对2种生态型鬼针草生物量和株高的影响

Table 1 Effects of spraying S3307 on biomass and height of two ecotypesBidenspilosa

生态型ρ(S3307)/(mg·L-1)生物量/(g·株-1)根系地上部分整株根冠比株高/cm 农田生态型01.53±0.057a3.63±0.113a5.16±0.170a0.421±0.002f37.33±2.02a 251.43±0.042b3.10±0.141b4.53±0.184b0.461±0.008e16.67±0.58b 501.40±0.028b2.40±0.071c3.80±0.099c0.583±0.005d16.17±1.04b 751.30±0.035c1.87±0.085d3.17±0.120d0.695±0.012a13.67±0.76c 1001.27±0.021c1.85±0.042d3.12±0.064d0.686±0.004b12.33±0.29c 1251.20±0.023d1.83±0.037d3.03±0.059d0.656±0.001c12.00±0.50c 矿山生态型01.80±0.042a3.57±0.127a5.37±0.460a0.504±0.028c30.67±1.53a 251.67±0.035b3.30±0.113b4.97±0.380b0.506±0.011c18.67±0.76b 501.63±0.025b2.90±0.071c4.53±0.380c0.562±0.034a18.17±0.29b 751.53±0.024c2.80±0.057cd4.33±0.300d0.546±0.019b17.17±0.76bc1001.37±0.028d2.77±0.071d4.14±0.360e0.495±0.022d16.17±0.52c 1251.03±0.031e2.47±0.057e3.50±0.430f0.417±0.010e13.67±0.51d

同一生态型同一列数据后英文小写字母不同表示不同处理间某指标差异显著(P<0.05)。

2.2 喷施S3307对2种生态型鬼针草光合色素含量的影响

由表2可知,喷施S3307使2种生态型鬼针草叶片各光合色素含量显著大于对照(P<0.05),且随着S3307浓度升高,2种生态型鬼针草叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量均呈上升趋势。这说明喷施S3307对2种生态型鬼针草光合作用有一定促进作用。当ρ(S3307)为125 mg·L-1时,2种生态型鬼针草叶绿素a、叶绿素b和胡萝卜素含量均达到最大,与对照相比,农田生态型鬼针草分别显著提高35.75%、51.24%和30.22%(P<0.05)，矿山生态型鬼针草分别显著提高23.05%、36.05%和21.99%(P<0.05)。另外,随着S3307浓度增加,2种生态型鬼针草叶绿素a/b比值均呈下降趋势。就农田生态型鬼针草而言,与对照相比,除ρ(S3307)为25 mg·L-1处理外,其他处理叶绿素a/b比值均显著降低(P<0.05)。就矿山生态型鬼针草而言,喷施S3307后叶绿素a/b比值显著小于对照(P<0.05)。

2.3 喷施S3307对2种生态型鬼针草镉含量的影响

由表3可知,喷施S3307使2种生态型鬼针草各部分镉含量均显著高于对照(P<0.05),且随着S3307浓度升高,2种生态型鬼针草根系和地上部分镉含量以及地上部分富集系数均呈上升趋势。这说明喷施S3307能显著促进2种生态型鬼针草对土壤镉的富集及转运。当ρ(S3307)为125 mg·L-1时,2种生态型鬼针草根系和地上部分镉含量以及地上部分富集系数达到最大值,与对照相比,农田生态型鬼针草根系和地上部分镉含量分别提高65.23%和91.44%,矿山生态型鬼针草根系和地上部分镉含量分别提高73.21%和77.79%。另外,喷施S3307使2种生态型鬼针草转运系数均高于对照,说明喷施S3307能促进镉从鬼针草根系向地上部分转运。

表2 喷施S3307对2种生态型鬼针草光合色素含量的影响

Table 2 Effects of spraying S3307 on content of photosynthetic pigment in two ecotypesBidenspilosa

生态型ρ(S3307)/(mg·L-1)w/(mg·g-1)叶绿素a叶绿素b类胡萝卜素叶绿素总量叶绿素a/b比值 农田生态型01.312±0.069d0.283±0.016d0.493±0.016d1.595±0.085d4.636±0.018a 251.402±0.032c0.314±0.012c0.511±0.020cd1.717±0.035c4.468±0.100ab501.435±0.051c0.330±0.016c0.527±0.019c1.765±0.067c4.348±0.050bc751.667±0.032b0.397±0.018b0.586±0.010b2.064±0.050b4.199±0.113c 1001.745±0.028a0.418±0.009a0.630±0.003a2.163±0.019a4.175±0.155c 1251.781±0.032a0.428±0.017a0.642±0.033a2.208±0.015a4.171±0.241c 矿山生态型01.527±0.067c0.344±0.011e0.573±0.024c1.871±0.078e4.439±0.053a 251.711±0.037bc0.406±0.011d0.646±0.001b2.117±0.025d4.214±0.208b 501.777±0.021b0.429±0.010c0.652±0.006b2.206±0.031c4.142±0.045b 751.796±0.015b0.436±0.017b0.668±0.002b2.232±0.002bc4.119±0.197b 1001.835±0.035ab0.454±0.002b0.671±0.023b2.289±0.038ab4.042±0.056b 1251.879±0.094a0.468±0.007a0.699±0.031a2.346±0.088a4.013±0.258b

同一生态型同一列数据后英文小写字母不同表示不同处理间某指标差异显著(P<0.05)。

表3 喷施S3307对2种生态型鬼针草镉含量的影响

Table 3 Effects of spraying S3307 on cadmium content in two ecotypesBidenspilosa

生态型ρ(S3307)/(mg·L-1)w(镉)/(mg·kg-1) 根系地上部分地上部分富集系数转运系数 农田生态型071.76±3.11e71.82±1.67e7.18±0.17e1.001±0.021b 2582.09±4.43d94.92±2.94d9.49±0.30d1.156±0.027a 5095.13±4.67c110.57±2.02c11.06±0.21c1.162±0.036a 75109.85±3.51b128.22±3.93b12.82±0.40b1.167±0.001a 100116.92±1.98a136.52±2.09a13.65±0.21a1.168±0.002a 125118.57±3.46a137.49±3.55a13.75±0.35a1.160±0.004a 矿山生态型072.19±4.30e72.59±4.82d7.26±0.48d1.006±0.007b 25109.63±3.35d111.87±4.43c11.19±0.45c1.020±0.009ab50117.72±1.81c120.44±5.03b12.04±0.50b1.023±0.027ab75120.11±2.67bc123.53±4.91ab12.35±0.49ab1.028±0.018a 100122.72±1.81ab126.55±3.46a12.66±0.35a1.031±0.013a 125125.04±4.19a129.06±2.74a12.91±0.28a1.032±0.013a

同一生态型同一列数据后英文小写字母不同表示不同处理间某指标差异显著(P<0.05)。

2.4 喷施S3307对2种生态型鬼针草镉积累量的影响

由表4可知,随着S3307喷施浓度增加,农田生态型鬼针草各部分镉积累量和转运量系数均呈先上升后降低趋势。当ρ(S3307)为100 mg·L-1时,农田生态型鬼针草根系镉积累量达到最大,较对照显著提高35.25%(P<0.05)。当ρ(S3307)为25 mg·L-1时,农田生态型鬼针草地上部分和整株镉积累量达到最大,分别较对照显著提高12.86%和11.10%(P<0.05)。随着S3307喷施浓度增加,矿山生态型鬼针草根系镉积累量呈先上升后降低趋势,并当ρ(S3307)为50 mg·L-1时达到最大,较对照显著提高47.67%(P<0.05)。喷施S3307使矿山生态型鬼针草地上部分和整株镉积累量均高于对照,并当ρ(S3307)为25 mg·L-1时达到最大,分别较对照显著提高42.45%和41.93%(P<0.05)。ρ为25 mg·L-1的S3307溶液能显著提高农田生态型鬼针草转运量系数,其他浓度S3307溶液则降低农田生态型鬼针草转运量系数。喷施ρ为100和125 mg·L-1的S3307溶液能显著提高矿山生态型鬼针草转运量系数,且当ρ(S3307)为125 mg·L-1时最大,其他浓度S3307溶液则降低矿山生态型鬼针草转运量系数。

表4 喷施S3307对2种生态型鬼针草镉积累的影响

Table 4 Effects of spraying S3307 on cadmium accumulation in two ecotypesBidenspilosa

生态型ρ(S3307)/(mg·L-1)镉积累量/(μg·株-1)根系地上部分整株转运量系数 农田生态型0109.79±8.82c260.71±14.82b370.50±23.01b2.37±0.06b 25117.39±9.81c294.25±22.54a411.64±32.35a2.51±0.02a 50133.18±9.22b265.37±12.67b398.55±21.89ab1.99±0.04c 75142.81±8.44ab239.77±18.23c382.58±26.67ab1.68±0.03e 100148.49±4.99a252.56±9.67bc401.05±14.65ab1.70±0.02e 125142.28±6.83ab251.61±11.55bc393.89±18.39ab1.77±0.01d 矿山生态型0129.94±10.79c259.15±26.45b389.09±37.25c1.99±0.03c 25183.08±9.47a369.17±27.27a552.25±36.74a2.02±0.04c 50191.88±5.94a349.28±23.11a541.16±29.06a1.82±0.06e 75183.77±6.97a345.88±20.72ab529.65±27.69a1.88±0.04d 100168.13±5.95b350.54±18.54a518.67±24.50a2.08±0.04b 125128.79±8.80c318.78±14.07b447.57±22.28b2.48±0.05a

同一生态型同一列数据后英文小写字母不同表示不同处理间某指标差异显著(P<0.05)。

3 讨论

S3307可以影响植物贝壳杉烯氧化酶活性,切断赤霉酸合成,进而降低植物内源赤霉酸水平,使细胞伸长受到抑制,可有效调控植物徒长、分枝和分蘖[28]。笔者发现,喷施S3307对鬼针草能起到显著矮化作用,且随着S3307浓度升高,2种生态型鬼针草株高均呈下降趋势,与前人结果[29]相似。除了延缓植物生长,缩短节间,S3307还对植物营养生长和生殖生长有一定调控作用[30]。马冲等[31]对盛花期花生全株喷施S3307后发现,S3307可以有效抑制花生营养生长,促进其生殖生长,对花生产量有显著促进作用。刘良全[32]发现在盐胁迫下,S3307能降低小麦叶面积和生物量而提高其分根数及根冠比,说明S3307可以通过“控上促下”来提高小麦抗盐性。笔者研究结果表明,喷施S3307可在降低2种生态型鬼针草根系和地上部分生物量的同时,有效提高其根冠比。高浓度镉胁迫不仅可以通过影响原叶绿素酸酯氧化还原酶和叶绿素酶活性来降低植物叶绿素含量,还可以直接破坏光合系统,抑制植物光合作用[33]。郑春芳等[34]发现外源S3307可以显著提高低温胁迫下秋茄幼苗叶片净光合速率、气孔导度和叶绿素含量,从而促进秋茄光合作用。黄爱政等[35]研究了外源S3307对菜心光合作用的影响,发现S3307使菜心叶片叶绿素含量、气孔导度、光合速率和蒸腾速率均显著提高,认为外源S3307是提高植物光合作用的有效措施。笔者研究发现在镉胁迫下,喷施S3307显著提高2种生态型鬼针草叶绿素和类胡萝卜素含量,这说明外源S3307对鬼针草光合作用有一定促进作用。有研究证明外源S3307可以调控植物光合产物的输送和分配,促进植物生殖生长以及干物质积累[36]。笔者发现喷施S3307在提高鬼针草光合色素含量的同时降低其各部分生物量,这可能是因为S3307改变了鬼针草光合产物从“源”到“库”的分配,进而抑制鬼针草的营养生长。

植物生长调节剂不仅可以调控植物生长发育过程,影响其核酸、蛋白质合成,还对植物抗旱、抗盐和抗病虫害能力有显著增强作用[37]。何冰等[7]在镉污染条件下分别对超富集植物东南景天叶面喷施不同生长调节剂后,发现生长素(IAA)、脱落酸(ABA)和细胞分裂素(6-BA)可以不同程度地缓解镉对东南景天的毒害作用并显著提高其地上部分镉积累量。另外在镉胁迫下,外源生长调节剂2,4-二氯苯氧乙酸(2,4-D)和己酸二乙氨基乙醇酯(DA-6)不仅能显著促进超富集植物龙葵的生长,还能有效提高其地上部分镉积累量[38]。廖爽[39]发现在镉胁迫下,喷施赤霉酸(GA3)和2,4-表油菜素内酯(2,4-EBL)均能促进超富集植物牛膝菊的生长,且GA3可显著提高其地上部分镉积累量。笔者研究结果表明,与对照相比,喷施S3307不仅能显著提高2种生态型鬼针草根系和地上部分镉含量,还能有效提高其转运系数。这说明S3307能有效增强鬼针草对土壤镉的吸收及向地上部分转运的能力。

对镉超富集植物而言,地上部分生物量和镉含量直接决定其净化转移土壤中镉的能力。笔者发现随着外源S3307浓度升高,农田生态型和矿山生态型鬼针草地上部分生物量均呈下降趋势,且当ρ(S3307)浓度为125 mg·L-1时最低,分别较对照降低49.59%和30.81%。而农田生态型和矿山生态型鬼针草地上部分镉含量随着S3307浓度的升高均呈上升趋势,且当ρ(S3307)为125 mg·L-1时达到最高,分别较对照提高91.44%和77.79%。以上结果说明,2种生态型鬼针草地上部分生物量和镉含量随外源S3307浓度的升高表现出相似趋势,但对外源S3307的响应程度存在较大差异,这可能与2种生态型鬼针草对土壤镉的富集和耐受能力存在差异有关。就鬼针草镉积累量而言,喷施S3307可不同程度提高矿山生态型鬼针草地上部分镉积累量,而当ρ(S3307)大于50 mg·L-1时,各处理农田生态型鬼针草地上部分镉积累量均小于对照,这与高浓度S3307对农田生态型鬼针草地上部分生物量的抑制作用强于矿山生态型鬼针草有关。当ρ(S3307)为25 mg·L-1时,农田生态型和矿山生态型鬼针草单株地上部分镉积累量均达到最大值,分别为294.25和369.17 μg·株-1。但笔者试验未设置0～25 mg·L-1浓度梯度的S3307处理,在此区间是否存在优于25 mg·L-1的S3307处理还需进一步研究。就2种生态型鬼针草地上部分镉积累量而言,在相同浓度S3307作用下,矿山生态型鬼针草将镉从土壤转移到地上部分的效果均优于农田生态型鬼针草。但外源S3307对其他矿山生态型超富集植物的影响是否优于农田生态型超富集植物还需进一步筛选及验证。

4 结论

在镉胁迫下,农田生态型和矿山生态型鬼针草株高、生物量、光合色素含量以及镉含量均随外源S3307浓度升高而呈相似变化趋势。随着S3307浓度升高,2种生态型鬼针草株高和生物量均呈下降趋势,而光合色素含量和镉含量均呈上升趋势。适当浓度的S3307溶液可有效提高鬼针草镉积累量,当ρ(S3307)为25 mg·L-1时,2种生态型鬼针草地上部分和整株镉积累量均达到最大,可对农田及矿山生态系统中镉污染土壤的修复提供参考。